THE INTRODUCTION TO RESEARCH OF THE SUPPLY OF DIESEL

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2005, vol. 12, 3-4
THE INTRODUCTION TO RESEARCH OF THE SUPPLY OF DIESEL
ENGINES WITH THE EMULSION )8(/-WATER
Kazimierz Sowa
Politechnika Krakowska
Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych
Al. Jana Pawáa II 37, 31-864 Kraków
tel.: +48 12 628-36-78
Abstract
The necessity of the improvement of operational working indicators of combustion engines and first of all
the decreasing of the toxicity of their exhaust gases constrains their producers to the search every now and
again new ways to the success of this aim. One from them is the system analysis of the combustion of engines
which allows through the optimization of designs including its setting systems (the injection's equipment, inlet
air system} combustion chamber) and their controlling parameters influencing on combustion processes
determined toxicity of exhaust gases. There are introduced two principle systems of supply of engines Diesel
with the emulsion fuel-water including the two-stage injection and the usage of prepared emulsions which let on
the usage of the single-stage injection. Both systems have connected defects mostly with the lack of the
adaptation of the composition of the emulsion to working conditions. Moreover the usage of the addition of
water to the fuel changes fundamentally conditions of spray preparation of emulsion from holes of the nozzle
both in the range of the spray, and the quality. This influence is connected with a kind of the fuel, whereupon one
adverted.
WPROWADZENIE DO BADAē ZASILANIA SILNIKÓW DIESLA
EMULSJĄ PALIWOWO -WODNĄ
Streszczenie
KoniecznoĞü poprawy eksploatacyjnych wskaĨników pracy silników spalinowych a przede wszystkim
zmniejszenie toksycznoĞci ich spalin zmuszają ich producentów do poszukiwania coraz to nowych dróg do
osiągniĊcia tego celu. Jedną z nich jest analiza systemu spalania silników spalinowych, która pozwala poprzez
optymalizacjĊ konstrukcji wchodzących w jego skáad ukáadów (aparatura wtryskowa, ukáad doprowadzenia
powietrza, komora spalania) oraz ich parametrów regulacyjnych wpáywających na proces spalania
decydującego o toksycznoĞci spalin. Przedstawiono dwa zasadnicze systemy zasilania silników diesela emulsją
paliwowo-wodną obejmującą dwustopniowy wtrysk oraz stosowanie przygotowanych emulsji, które pozwalają
na stosowanie jednostopniowego wtrysku. Oba systemy mają wady związane gáównie z brakiem dostosowania
skáadu emulsji do warunków pracy. Ponadto stosowanie dodatku wody do paliwa zmienia zasadniczo warunki
rozpylenia strugi emulsji wypáywającej z otworów rozpylacza, zarówno w zakresie zasiĊgu strugi, jak i
charakteru. To oddziaáywanie związane jest z rodzajem paliwa, na co zwrócono uwagĊ.
1. Wprowadzenie
KoniecznoĞü poprawy eksploatacyjnych wskaĨników pracy silników spalinowych a
przede wszystkim zmniejszenie toksycznoĞci ich spalin zmuszają ich producentów do
poszukiwania coraz to nowych dróg do osiągniĊcia tego celu. Jedną z nich jest analiza
systemu spalania silników spalinowych, która pozwala poprzez optymalizacjĊ konstrukcji
wchodzących w jego skáad ukáadów (aparatura wtryskowa, ukáad doprowadzenia powietrza,
komora spalania) oraz ich parametrów regulacyjnych wpáywających na proces spalania
decydującego o toksycznoĞci spalin.
RównieĪ przeprowadzona analiza opublikowanych materiaáów doĞwiadczalnych wskazuje
Īe duĪą rolĊ w procesie spalania w komorze spalania silnika speánia rodzaj zastosowanego
paliwa.
281
W celu poprawy ekologicznych i ekonomicznych wskaĨników silnika diesla moĪna
zastosowaü jako paliwo paliwowo-wodną emulsjĊ (PWE) [1]. Pozytywne efekty zastosowania
PWE moĪna uzyskaü zarówno w odniesieniu do wolnobieĪnych jak i szybkobieĪnych
silników diesla, w których polepsza siĊ rozpylenie doprowadzanego paliwa wpáywając na
poprawĊ przebiegu procesu spalania.
2. Wpáyw emulsji paliwowo-wodnej na charakterystyki silnika
Stosowanie emulsji paliwowo-wodnej do zasilania silników diesla moĪe korzystnie
wpáywaü na parametry pracy. W szczególnoĞci moĪna uzyskaü zmniejszenie poziomu emisji
tlenków azotu i cząstek staáych, bez pogorszenia sprawnoĞci silnika. Ponadto w odniesieniu
do niektórych sytuacji moĪe okazaü siĊ, Īe woda speánia istotną rolĊ w bilansie paliwowym
silnika. Przeprowadzone badania [6-13] wykazaáy, Īe zawartoĞü wody w emulsji moĪe
dochodziü do 50%. WystĊpują wprawdzie problemy z zimnym rozruchem silnika i przy
wiĊkszych zawartoĞciach wody konieczne są modyfikacje ukáadu zasilania. Z drugiej jednak
strony stosowanie emulsji z zawartoĞcią wody do 15 - 20 % zasadniczo nie wymagają
istotniejszych zmian w ukáadzie zasilania silnika. Obok stosowania specjalnych emulsji
moĪliwe jest bezpoĞrednie zasilanie silnika wodą przy dwustopniowym wtrysku. Schemat
typowego ukáadu zasilania silnika przedstawia rys. 1.
Rys. 1 Schemat dwustopniowego zasilania silnika
Fig. 1. The schema of the two-stage power supply of the engine
282
Udziaá wody w emulsji musi byü dostosowany do warunków pracy i obciąĪenia silnika.
Prezentowany system jest najbardziej prostym systemem, w którym nie ma moĪliwoĞci
dostosowania skáadu emulsji do tych warunków. System wtrysku obejmuje podwójną dyszĊ z
odpowiednim systemem poáączeĔ. NaleĪy podkreĞliü, co jest istotne, Īe system wodny nie
wymaga wysokiego ciĞnienia, jak system wtrysku paliwa. Woda napeánia przewody przez
zawór jednokierunkowy do pierĞcieniowego obszaru otaczającego iglicĊ. Paliwo
przemieszczone przez wodĊ jest zwracane do ukáady przelewowego. Na początku wtrysku
paliwa ciĞnienie w przewodzie paliwowym jest zwiĊkszane, przez co zamyka siĊ zawór
jednokierunkowy, tak Īe paliwo nie przedostaje siĊ do ukáadu wodnego. Mieszanina paliwa i
wody jest kierowana do otworów rozpylacza pod wysokim ciĞnieniem.
Na rys. 2. przedstawiono typową charakterystykĊ silnika zasilanego emulsją paliwowowodną o róĪnej zawartoĞci wody w odniesieniu do dwu paliw: lekkiego (o gĊstoĞci okoáo 800
kg/m3) i ciĊĪkiego (o gĊstoĞci okoáo 1000 kg/m3). W zakresie zawartoĞci wody do 30 %
nastĊpuje zmniejszenie zarówno poziomu emisji NOx, jak i zadymienia spalin, bez
pogorszenia zuĪycia paliwa.
.
Rys. 2. Wpáyw zawartoĞci wody w emulsji paliwowo-wodnej na parametry silnika
Fig. 2. The influence of the content of water in the emulsion diesel fuel-water on engine parameters
Na rys. 3. przedstawiono wpáyw zawartoĞci wody na parametry pracy silnia w emulsji
RME i wody.
283
Rys. 3. Wpáyw zawartoĞci wody w emulsji RME i wody na parametry pracy silnika
Fig. 3. The influence of the content of water in the emulsion RME and waters on engine working parameters
Z danych zaprezentowanych na rys 3. wynika, ze w zakresie zawartoĞci wody w emulsji
do 15 % ma miejsce poprawa parametrów zarówno ekologicznych, jak i zuĪycia paliwa.
2. Emulsja paliwowo-wodna, jej otrzymywanie i cechy
PWE stanowi ukáad dwu nierozpuszczalnych páynów z których jeden w fazie dyspersyjnej
wystĊpuje w postaci drobnych kropli równomiernie rozmieszczonych w drugim páynie
dyspersyjnym [1, 2].poniewaĪ emulsja jest ukáadem niestabilnym to na wskutek wzrostu
napiĊcia powierzchniowego wystĊpuje na powierzchni podziaáu faz, krople fazy dyspersyjnej
dąĪą do wzajemnego zlewania siĊ. Proces ten zdąĪa aĪ do peánego rozwarstwienia ukáadu i
rozdzielenia na dwie niezaleĪne fazy.
W celu zmniejszenia naprĊĪenia powierzchniowego a tym samym zwiĊkszenia trwaáoĞci
emulsji konieczne jest dodanie do mieszaniny trzeciego czynnika tj. emulgatora którego
obecnoĞü przedáuĪa zachowanie struktury zdyspergowanej.
Wytwarzanie emulsji odbywa siĊ w urządzeniach dyspergujących, którego dziaáanie jest
oparte na róĪnych zasadach fizycznych. Stosuje siĊ urządzenia mechaniczne, pneumatycznopowietrzne, ultradĨwiĊkowe i inne.
Do przeprowadzenia badaĔ przygotowano [3] mieszalnik helikoidalny którego schemat
przedstawiono na rys. 4.
284
Rys. 4. Mieszalnik helikoidalny: 1-cylinder zewnĊtrzny, 2-cylindryczna szczelina mieszalnika, 3-cylinder
wewnĊtrzny (wirnik), 4- páaszcz z páynem termostatycznym
Fig. 4. Rotatory stirring apparatus: 1 - external cylinder , 2-cylindrical crevice of the stirring apparatus, 3internal (the rotor) cylinder , 4 - overcoat with thermostatic liquid
W mieszalniku tym helikoidalnym przepáyw w pierĞcieniowej szczelinie otrzymuje siĊ w
wyniku naáoĪenia siĊ przepáywu osiowego na przepáyw wirowy wywoáany ruchem
obrotowym cylindra wewnĊtrznego. Po przekroczeniu krytycznej prĊdkoĞci obrotowej
cylindra wewnĊtrznego pod wpáywem dziaáania siá bezwáadnoĞci pojawia siĊ ruch páynu w
postaci komórkowych wirów Taylora. Pojawienie siĊ wirów Taylora oraz ruchu
helikoidalnego powoduje, Īe otrzymuje siĊ bardzo korzystny ruch cieczy sprzyjający
tworzeniu siĊ emulsji Jak wykazaáy badania strukturĊ emulsji skáadającej siĊ z dwu nie
mieszających siĊ cieczy, otrzymuje siĊ w zaleĪnoĞci od wartoĞci wspóáczynnika lepkoĞci
gĊstoĞci obu faz oraz napiĊcia miĊdzyfazowego.
Podstawowe wymiary konstrukcyjne mieszalnika helikoidalnego [3]:
- Ğrednica wewnĊtrzna cylindra zewnĊtrznego 37 mm,
- wymienne cylindry wewnĊtrzne o Ğrednicach umoĪliwiających uzyskanie szczelin o
wymiarach 1,5; 2,5 i 5,25 mm,
- dáugoĞü 317 mm.
Zalecane parametry pracy mieszalnika:
- prĊdkoĞü obrotowa cylindra wewnĊtrznego: 2800 obr/min,
- masowe natĊĪenie przepáywu emulsji: 10-100 kg/h,
- iloĞü wody w mieszalniku w stosunku do iloĞci emulsji cw = 10%,
- zawartoĞü Ğrodka powierzchniowo-czynnego (rokafenol) w wodzie cr = 0,3-3,0%.
1. Fizyko-chemiczne wáDĞFLZoĞci paliwowo-wodnych emulsji i okreĞlenie ich wskaĨników
Do waĪnych fizyko-chemicznych wskaĨników paliw [4] naleĪą: gĊstoĞü, lepkoĞü, napiĊcie
powierzchniowe, temperatura zapáonu, temperatura krzepniĊcia i – co jest waĪne dla PWE trwaáoĞü. ZnajomoĞü wymienionych powyĪej wskaĨników jest konieczne dla organizacji
eksploatacji silników diesla, dla transportu paliwa, a takĪe przy obliczeniach i analizie
procesów rozpylania, tworzenia mieszaniny paliwowo-powietrznej i spalania paliwa.
285
Dla oceny PWE okreĞla siĊ równieĪ trzy jej charakterystyczne wskaĨniki: masowa iloĞü
wody w emulsji cw%, jakoĞü rozpylenia wody (Ğrednia Ğrednica kropel wody) dĞr
i równomiernoĞü rozprowadzenia fazy wodnej. Przy okreĞlaniu fizyka-chemicznych
wáasnoĞci PWE wartoĞü cw jest wielkoĞcią niezaleĪną.
Na osobną uwagĊ zasáuguje wpáyw jakoĞci rozpylenia fazy wodnej. Jak wykazaáy
pomiary przy cw = 15% otrzymano prawie jednakowe wartoĞci wskaĨników lepkoĞci i
gĊstoĞci emulsji chociaĪ Ğrednia kropel wody zawieraáa siĊ w zakresie (od 8 do 27) 10–3mm.
Jedna z gáównych cech PWE jest jej trwaáoĞü. W celu jej zwiĊkszenia konieczne jest
wprowadzenie emulgatora przedáuĪającemu zachowanie przez emulsjĊ struktury
dyspergowanej. TrwaáoĞü emulsji – podobnie jak i innych wskaĨników fizyko-chemicznych
zaleĪy od rodzaju i iloĞci zastosowanego emulgatora. W naszym przypadku jako emulgator
zastosuje siĊ rokafenol a jego maksymalna iloĞü nie przekroczy 3% iloĞci wody.
GĊstoĞü PWE zwykle okreĞla siĊ wedáug zaleĪnoĞci niĪej podanej a otrzymuje siĊ ją na
zasadzie addytywnoĞci:
ȡp = ȡp-ȟ(ȡp – ȡw),
gdzie:
ȡe, ȡp i ȡw
ȟ
(1)
- odpowiednio gĊstoĞü emulsji, paliwa i wody przy okreĞlonej
temperaturze,
- objĊtoĞciowa iloĞü wody w PWE
LepkoĞü cecha cieczy wykazująca wystĊpowanie oporu wewnĊtrznego przy przesuwaniu
siĊ jednej cząstki wzglĊdem drugiej. WskaĨnik ten wpáywa na prace aparatury wtryskowej
silnika a takĪe na jakoĞü rozpylenia paliwa i tworzenie mieszanki paliwowo-powietrznej.
LepkoĞü PWE jest okreĞlana zwykle z zaleĪnoĞci ujmującej wpáyw lepkoĞci paliwa i
procentowej zawartoĞci wody w PWE.
ȣe = f(ȣp, cw),
gdzie:
ȣe, ȣp
(2)
- kinematyczna lepkoĞü PWE i paliwa czystego.
Na rys.5 przedstawiono krzywe zmiany lepkoĞci kinematycznej w funkcji temperatury dla
róĪnych iloĞci wody w PWE.
Po opracowaniu materiaáu doĞwiadczalnego przeprowadzonego zgodnie z ogólną
zaleĪnoĞcią ȣe otrzymano wzór:
ȣe= ȣp(1+2,36 cw1,2).
(3)
ĝredni báąd aproksymacji wynosiá nie wiĊcej niĪ 3%.
NapiĊcie powierzchniowe – jeden z parametrów okreĞlających proces rozpylania paliwa i
tworzenia mieszaniny paliwowo-powietrznej. Na podstawie materiaáów doĞwiadczalnych
okreĞlono wzór empiryczny mający okreĞliü wartoĞü napiĊcia powierzchniowego emulsji:
ıe= ıp[1+(2,4-3ǜ10-2t) cw ].
286
(4)
ıe, ıp – odpowiednio wspóáczynniki napiĊcia powierzchniowego WPE i czystego
paliwa.
ĝredni báąd aproksymacji byá mniejszy niĪ 4%.
gdzie:
Rys.5. Wpáyw temperatury na kinematyczną lepkoĞü PWE dla róĪnych iloĞci wody cw
Fig. 5. The influence of the temperature on the kinematic viscosity FWE for different water share cw
Temperatura zapáonu – mająca duĪe eksploatacyjne znaczenie jako czynnik okreĞlający
niebezpieczeĔstwo zapáonu paliwa.
Na podstawie materiaáu doĞwiadczalnego otrzymano nastĊpującą zaleĪnoĞü:
tw = twp(1+1,63 cw),
(5)
gdzie:
tw, twp odpowiednio temperatura zapáonu PWE i czystego oleju napĊdowego.
Z wzoru tego wynika ,Īe ze zwiĊkszeniem cw temperatura zapáonu wzrasta dlatego teĪ
emulsja jest pod wzglĊdem zapáonu bezpieczniejsza.
Temperatura mĊtnienia jest waĪnym wskaĨnikiem charakteryzującym paliwo.
W rezultacie przeprowadzonych badaĔ okreĞlono wzór temperatury mĊtnienia emulsji:
tee = tep (1-1,74 cw),
gdzie:
(6)
tee, tep odpowiednio temperatury mĊtnienia PWE i czystego paliwa.
4. Podsumowanie
Wzrost zainteresowania wprowadzeniem do zasilania silników diesla emulsją paliwowowodną utworzoną z oleju napĊdowego i wody wynika z moĪliwoĞci poprawienia przede
wszystkim jego wskaĨników ekologicznych. Zastosowanie emulsji umoĪliwia zmniejszenie
temperatury spalania, co wpáywa przede wszystkim na zmniejszenie iloĞci tlenków azotu NOx.
287
Natomiast poprawa rozpylenia paliwa wpáywa korzystnie na wytworzenie mieszaniny
paliwowo-powietrznej co umoĪliwia uzyskanie mniejszej iloĞci cząstek staáych PM.
Dodatkowo zastosowanie w badaniach estru oleju rzepakowego oraz utworzonej na jego
bazie emulsji paliwowo-wodnej umoĪliwi szersze jego zastosowanie w zasilaniu silników
diesla.
Literatura
[1] Jakubowski J. Silniki samochodowe zasilane paliwami zastĊpczymi. Wydawnictwo
Komunikacji i àącznoĞci, Warszawa 1987
[2] Encyklopedia Techniki- Chemia Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa 1966.
[3] Dáuska E Badania nad wytwarzaniem emulsji paliwowo-wodnych w mieszalniku
helioidalnym cz.1 i 2. Sprawozdanie niepublikowane Politechniki Warszawskiej.
Warszawa luty 2005
[4] Ʌeɛeɞeɜ Ɉ.ɇ., ɋoɦoɜ B.A., ɋɢcɢɧ B.Ⱦ BOȾOTOɉɅɂBɇɕE ɗMɍɅɖCɂɂ B
CɍȾOBɕɏ ȾɂɁEɅəɏ., ɅEɇɂɇȽPAȾ, 1988.
[5] Baczewski K., KaádoĔski J. Paliwa do silników z zapáonem samoczynnym. WKà,
Warszawa 2004.
[6] Curran H. J., Gaffure P., Pitz W. J., and Westbrook C. K., “A Comprehensive
Modeling Study of N-Heptane Oxidation," Combustion and Flame, vol.114, pp.149-177,
1998.
[7] Dittrich P., Wirbeleit F. Willand J. and Binder K., “Multi-Dimensional Modeling of
the Effect of Injection Systems on DI Diesel Engine Combustion and NO-Formation”,
SAE 982585, 1998
[8] Han Z., Uludogan A., Hampson G.J. and Reitz R. D., “Mechanism of Soot and NOx
Emission Reduction Using Multiple-Injection in a Diesel Engine”, SAE 960633, 1996.
[9] Reitz R. D., “Modeling Atomization Processes in High-Pressure Vaporizing Sprays”,
Atomization and Spray Technology, 3, 1987.
[10] Schwarz V., König G., Dittrich P. and Binder K., “Analysis of Mixture Formation,
Combustion and Pollutant Formation in HD Diesel Engines using Modern Optical
Diagnostics and Numerical Simulation”, SAE 1999-01-3647, 1999
[11] Wirbeleit F., Enderle CH., Lehner W., Raab A., Binder K., “Stratified Diesel FuelWater-Diesel Fuel Injection Combined with EGR - The Most Efficient In-Cylinder
NOx and PM Reduction Technology”, SAE 972962, 1997
[12] Ishida M., Cho J.J. and YasunagaT., “Combustion and Exhaust Emissions of a DI
Diesel Engine Operated with Dual Fuel”, Proc. of Seoul 2000 FISITA World
Automotive Congress, Paper No. F2000A030, pp.1-7 (2000).
[13] Ishida M., Ueki H., Sakaguchi D. and Izumi S., “Significant NOx Reduction in Diesel
Engine Based on Electronically Controlled Port Water Injection”, Proc. of the 22nd
CIMAC International Congress on Combustion Engines, Paper No.07.09, Vol.4, pp.879893 (1998).
Artykuá ten opracowano w ramach projektu badawczego nr 5T 12D03325 o nazwie:
”Badania wpáywu nowego sposobu wytwarzania emulsji paliwowo-wodnej na parametry
ekologiczne i energetyczne silnika wysokoprĊĪnego”(umowa nr 1420/T12/2003/25).
288